通信原理绪论

1、通信原理通信原理第一章 绪论v1.1 通信的基本概念v1.2 通信技术发展史及发展趋势v1.3 通信系统的组成v1.4 通信系统分类及通信方式 v1.5 信息及其度量v1.6 通信系统的主要性能指标 v1.7 小结 1.1 通信的基本概念 古代：古代：烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信烽火狼烟、击鼓鸣金、摇旗呐喊、飞鸽传信这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通这些通信方法和手段只能极其有限地解决一定距离的通信问题。信问题。 现代：现代：电话、电视、广播、邮政、因特网等目前的这些现电话、电视、广播、邮政、因特网等目前的这些现代的通信方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社代的通信

2、方法和手段已为我们大家所熟知，并成为我们社会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会会生活中一个不可或缺的组成部分。随着科学技术与社会的发展，对通信的要求也越来越高。的发展，对通信的要求也越来越高。什么是通信？ 异地间人与人、人与机器、机器与机器进行信息的传递和交换。信息、信号的含义 语言、文字、图像等信息是不能直接在通信系统中传递，为此需在发送端将它们转换成电（光）信号（即信源）来载荷语言、文字、图像等信息，电信号经通信系统传送至接收端，收端将电信号还原成语言、文字、图像等信息。信号的分类及描述信号的分类及描述信号的分类方法有很多，可以从不同的角度信号的分类方法有很多，可以从不同的角

3、度对信号进行分类。对信号进行分类。 （1 1）确知信号与随机信号）确知信号与随机信号确知信号是指能够以确定的时间函数表示的信号，确知信号是指能够以确定的时间函数表示的信号，它在定义域内任意时刻都有确定的函数值。它在定义域内任意时刻都有确定的函数值。 （2 2）周期信号与非周期信号）周期信号与非周期信号（3 3）模拟信号与数字信号）模拟信号与数字信号模拟信号是指代表消息的信号参量（幅度、频率模拟信号是指代表消息的信号参量（幅度、频率或相位）随消息连续变化的信号，但在时间上可或相位）随消息连续变化的信号，但在时间上可连续可离散。连续可离散。数字信号是指它不仅在时间上离散，而且在幅度数字信号是指它不

4、仅在时间上离散，而且在幅度取值上也是离散的信号。取值上也是离散的信号。 1.2 通信技术发展史及趋势利用电磁波通信的历史可大致划分三个阶段：利用电磁波通信的历史可大致划分三个阶段：v18371837年电报开始的通信初级阶段；年电报开始的通信初级阶段；v19481948年香农提出信息论开始的近代通信阶段；年香农提出信息论开始的近代通信阶段；v8080年代以后光纤通信应用、综合业务数字网年代以后光纤通信应用、综合业务数字网崛起的现代通信阶段。崛起的现代通信阶段。通信发展简史(1)v1837年，摩尔斯发明有线电报，开始了电通信阶段v1864年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论,并被当时的赫兹证明，促使了后

5、来无线通信的出现v1876年，贝尔利用电磁感应原理发明了电话v1879年，第一个专用人工电话交换系统投入运行v1880年，第一个付费电话系统运营v1896年，马可尼发明无线电报v1907年，电子管问世，通信进入电子信息时代v1915年，横贯大陆电话开通; 实现越洋语音连接v1918年，调幅无线电广播、超外差式接收机问世v1925年，开通三路明线载波电话，开始多路通信通信发展简史(2)v1936年，调频无线电广播开播v1937年，雷沃斯发明脉冲编码调制，奠定了数字通信基础v1938年，电视广播开播v20世纪40年代二战期间，雷达与微波通信得到发展v1946年，第一台数字电子计算机问世v1947年

6、，晶体管在贝尔实验室问世，为通信器件的进步创造了条件v1948年，香农提出了信息论，建立了通信统计理论v1950年，时分多路通信应用于电话系统v1951年，直拨长途电话开通v1956年，敷设越洋通信电缆v1957年，发射第一颗人造地球卫星v1958年，发射第一颗通信卫星v1962年，发射第一颗同步通信卫星，开通国际卫星电话；脉冲编码调制进入实用阶段通信发展简史(3)v20世纪60年代，彩色电视问世；阿波罗宇宙飞船登月；数字传输理论与技术得到迅速发展；计算机网络开始出现v1969年，电视电话业务开通v20世纪70年代，商用卫星通信、程控数字交换机、光纤通信系统投入使用；一些公司制定计算机网络体系

7、结构v20世纪80年代，开通数字网络的公用业务；个人计算机和计算机局域网出现；网络体系结构国际标准陆续制定v1989年，卫星全球定位系统（GPS）完成部署。v20世纪90年代，蜂窝电话系统开通，各种无线通信和数据移动通信技术不断涌现；光纤通信得到迅速普遍的应用；国际互联网和多媒体通信技术得到极大发展，v1997年，68个国家签定国际协定，互相开放电信市场通信革命的演进与走势1.3 通信系统的组成v1.3.1 通信系统的一般模型 图图1-1通信系统的一般模型通信系统的一般模型 v发送设备的作用：v1、把信息转换成原始电信号，该原始电信号称为基带信号；v2、将原始电信号处理成适合在信道中传输的信号

8、。例如调制、放大、滤波和发射等，在数字通信系统中发送设备又常常包含信源编码和信道编码等。v信道：v指信号传输通道，按传输媒介的不同，可分为有线信道和无线信道两大类。有线信道v明线、双绞线、同轴电缆及光纤等无线信道v地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继、散射及移动无线电信道等。接收设备的作用：v在接收端，接收设备的功能与发送设备相反，即进行解调、译码等。它的任务是从带有干扰的接收信号中恢复出相应的原始电信号，并将原始电信号转换成相应的信息，提供给受信者。1.2.2 模拟通信系统模型 图图1-2 模拟通信系统模型模拟通信系统模型 v发信人讲话的语音信息首先经变换器将语音信息

9、变成电信号（模拟信源），然后电信号经放大设备后可以直接在信道中传输。为了提高频带利用率，使多路信号同时在信道中传输，原始的电信号（基带信号）一般要进行调制才能传输到信道中去。调制是信号的一种变换，通常是将不便于信道直接传输的基带信号变换成适合信道中传输的信号，这一过程由调制器完成，经过调制后的信号称为已调信号。在收端，经解调器和逆变换器还原成语音信息。 1.2.3 数字通信系统模型 v数字通信系统是利用数字信号来传递信息的通信系统。数字通信系统可进一步细分为数字频带传输通信系统和数字基带传输通信系统。图图1-3 数字通信系统模型数字通信系统模型 v变换器：把信息转换成数字基带信号。 v信源编码

10、器：话音和图像压缩编码。信源编码的主要任务是提高数字信号传输的有效性。v接收端信源译码则是信源编码的逆过程。v信道：一种物理媒质，将发射设备的信号传送到接收端。v接收设备：从接收信号中恢复出原始电信号。v信宿：把基带信号还原成原有的消息。v信道编码：提高数字信号传输的可靠性。接收端信道译码是其相反的过程。v数字通信系统还有一个非常重要的控制单元，即同步系统（图1-3没有画出）。它可以使通信系统的收、发两端或整个通信系统，以精度很高的时钟提供定时，以使系统的数据流能与发送端同步、有序而准确地接收与恢复原信息。v二、数字基带传输通信系统图图1-4 数字基带传输系统模型数字基带传输系统模型 v三、数

11、字通信的主要特点v1 1、抗干扰、抗噪声性能好、抗干扰、抗噪声性能好v比如设高电平5V为1，低电平0V为0，在传输时受噪声影响，5V变成8V，而我们只要看到大于5V的值认为是5V就行了。l传输中继器可再生信号，消除噪声积累l比如一个中继器收到一个受干扰而变成8V的信号，若是模拟通信，中继器就会原封不动地把这个8V信号放大后送往下一级，下一级接着放大再往下送，这样一级一级下去，噪声被不断地放大，形成噪声积累直到通信终端。l如果是数字通信，第一个收到这个8V信号的中继器先认为该信号为一高电平信号，然后并不将该信号往下传，而是重新生成一个标准高电平信号(比如为5V)传往下一级，这样，噪声就不会像模拟

12、通信那样被一级一级地放大，而是被中继器“隔离”，从而消除了噪声积累。v2 2、差错可控、差错可控-纠错码技术纠错码技术v3 3、易加密、易加密v4 4、体积更小，重量更轻。、体积更小，重量更轻。v5 5、减少冗余度，提高信道利用率。、减少冗余度，提高信道利用率。v6 6、易于与现代技术相结合、易于与现代技术相结合。v数字通信的许多长处是数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价以增加信号带宽为代价的。比的。比如，一路模拟电话信号的带宽为如，一路模拟电话信号的带宽为4kHz，而一路数字电，而一路数字电话信号一般为话信号一般为64kHz的带宽，这说明数字通信的频带利的带宽，这说明数字通信的频带利用率

13、低。这一缺点在在系统频带紧张场合很突出，但用率低。这一缺点在在系统频带紧张场合很突出，但目前在微波通信、光通信场合，数字通信这些弱点被目前在微波通信、光通信场合，数字通信这些弱点被弱化，数字通信几乎成了唯一选择。弱化，数字通信几乎成了唯一选择。1.3 通信系统分类及通信方式v1、按传输媒质分类v按传输媒质分：v有线通信系统：是用导线或导引体作为传输媒质完成通信的，如架空明线、同轴电缆、海底电缆、光导纤维、波导等。v无线通信系统：是依靠电磁波在空间传播达到传递信息的目的，如短波电离层传播、微波视距传播、卫星中继等。v2 2、按信号的特征分、按信号的特征分按照携带信号分：模拟通信系统按照携带信号分

14、：模拟通信系统 数字通信系统数字通信系统v3 3、按通信设备的工作频段不同分：、按通信设备的工作频段不同分：长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。长波通信、中波通信、短波通信、微波通信等。8310cff （1. 1）式（式（1.3-1）中，）中， 为工作波长（为工作波长（m），），f f为最高工作频率为最高工作频率（Hz），）， c c为光速（为光速（m/s） 表表 1.3-1 通信频段通信频段 、 常用传输媒质及主要用途常用传输媒质及主要用途 v4、按调制方式分类 按照信道中传输的信号是否经过调制分：可将通信系统分为基带传输系统和频带（调制）传输系统。 基带传输是将没有经过调制的信号直接

15、传送，如音频市内电话； 频带传输是对基带信号调制后再送到信道中传输。v5、按通信业务类型分类 根据通信业务类型的不同，通信系统可分为电报通信系统、电话通信系统、数据通信系统和图像通信系统等。v6、按信号复用方式分类 按信号复用方式，通信系统又可分为频分复用（FDM）通信系统、时分复用（TDM）通信系统和码分复用（CDM）通信系统等。1.3.2 通信方式 v1、按信息传输的方向与时间关系划分通信方式v单工通信：是指信息只能单方向进行传输的一种通信工作方式；v半双工通信方式是指通信双方都能收发信息，但不能同时进行收和发的工作方式。例如无线对讲机、收发报机等都是这种通信方式。v全双工通信是指通信双方

16、可同时进行双向传输信息的工作方式。图图1-5 通信方式示意图通信方式示意图v2、按数字信号码元排列方式划分并行传输：将代表信息的数字信号码元序列分割成两路或两路以上的数字信号序列同时在信道上传输。优点：速度快、节省传输时间缺点：需占用频带宽，设备复杂，成本高，故较少采用，一般适用于计算机和其他高速数字系统的近距离通信。串行传输是将代表信息的数字信号码元序列按时间顺序一个接一个地在信道中传输。通常，一般的远距离数字通信都采用这种传输方式。图图1-6 并行和串行通信方式并行和串行通信方式v3、按照网络结构划分通信方式通信系统按照网络结构可分为线型、星型、树型、环型等类型。专门为两点之间设立传输线的

17、通信称之为点对点通信。多点间的通信属于网通信。网通信的基础仍是点对点通信。因此，本书重点讨论点对点通信的原理。 1.4 信息及其度量（重点）信息及其度量（重点）信源与常见消息数字信源与模拟信源随机信号与确知信号v 信号是消息的载体，而信息是其内涵。任何信源产生的输出都是随机的，也就是说，信源输出是用统计方法来定性的。对接收者来说，只有消息中不确定的内容才构成信息；否则，信源输出已确切知晓，就没有必要再传输它了。v因此，信息含量就是对消息中这种不确定性的度量。以以2为底时单位是为底时单位是“比特比特”（bit binary unit的缩写）的缩写）以以e为底时单位是为底时单位是“奈特奈特”（na

18、tnature unit的缩写）的缩写）以以10为底时单位是为底时单位是“哈特哈特”（Hart Hartley的缩写）的缩写）注意注意：对于单条消息，其：对于单条消息，其pi越小，则越小，则Ii越大；越大；Ii大小与消大小与消息的内容是否有实际意义无关息的内容是否有实际意义无关 如果是非等概情况，设离散信源是一个由n个符号组成的符号集， 其中每个符号xi(i=1, 2, 3, , n)出现的概率为P(xi)， 且有 , 则x1, x2, , xn 所包含的信息量分别为 -log2 P(x1), -log2 P(x2)， ，-log2 P(xn)。于是，每个符号所含信息量的统计平均值，即平均信息

19、量为通常又称它为信息源的 熵，其单位为bit/符号。显然，当信源中每个符号等概独立出现时，信源的熵有最大值。nii=1P(x )=12、信源熵H(X)例1-1 某信息源的符号集由A，B，C，D和E组成，设每一符号独立出现，其出现概率分别为1/4，1/8，1/8，3/16和5/16。试求该信息源符号的平均信息量。解：该信息源符号的平均信息量为212222( )( )log( )11113355log2logloglog2.23/448816161616niiiH xp xp xbit 符号以上我们讨论了离散消息的度量。类似，关于连续消息的信息量可用概率密度来描述。可以证明，连续消息的平均信息量（

20、相对熵）为 ( )( )log( )caHxf xf x dx （1.3） 式中, f(x)是连续消息出现的概率密度。有兴趣的读者，可参考信息论有关专著。3. 信息速率（信息速率（熵率熵率）一个信源的信息速率为一个信源的信息速率为:其中其中 : H 为信源熵为信源熵 . T 为发送一条消息的时间为发送一条消息的时间. R 为每秒内发送的信息量为每秒内发送的信息量()/H XRbits sT从信息的角度看，熵与熵率是信源的基本指标。从信息的角度看，熵与熵率是信源的基本指标。 2 . 信源熵信源熵 H(X)数字信源每个符号出现所带来的平均信息量数字信源每个符号出现所带来的平均信息量 211()lo

21、gMMiiiiiiiH XE II PPP 例例1-2 二元消息源二元消息源X1、X2与与X3的取值概率为：的取值概率为： 解解： 21()logMiiiH XPP 122()0.1log 0.1 0.9log 0.90.469()H Xbit 222()0.4log 0.40.6log 0.60.971()H Xbit 322()0.5log 0.50.5log 0.51()H Xbit 21()logMiiiH XPP 例例1-3 数字信源数字信源X 4元等概，元等概， Y 2元等概，求它们的熵。元等概，求它们的熵。 解解： 2211()4 (log)log 42()44H Xbit 22

22、11( )2 (log)log 21()22H Ybit 例例1-4： 计算信息速率。某电话键盘计算信息速率。某电话键盘: 0, 1, 9 ,* ,#，其中其中P*=P#=0.005 ，P0= P1= =P9=0.099。如如果按键速率为果按键速率为 2keys/s, 计算该信源的信息速率计算该信源的信息速率122122log2 0.005log 0.005 10 0.099log 0.0993.38/3.3826.76/jjjsH XPPkeysRHbits keybitsbits skeyRs 解解:要求：要求：了解各种消息源的特点及基本指标了解各种消息源的特点及基本指标模拟消息模拟消息模

23、拟消息模拟消息模拟消息模拟消息数字消息数字消息1.5 信道及无线电波传播方式无线电波的传播61v视线传播：频率 30 MHz距离: 和天线高度有关(1.1-3) 式中，D 收发天线间距离(km)。例 若要求D = 50 km，则由式(1.1-3)ddh接收天线发射天线传播途径D地面rr图 1-3 视线传播图1-4 无线电中继50822DrDhmm505050508222DrDh无线频谱及其管理频分复用1.6 通信系统的主要性能指标 设计和评价一个通信系统，往往要涉及到许多性能指标，如系统的有效性、可靠性、适应性、经济性及使用维护方便性等。这些指标可从各个方面评价通信系统的性能，但从研究信息传输

24、方面考虑，通信的有效性和可靠性是通信系统中最主要的性能指标。v有效性：是指消息传输的“速度”问题 v可靠性：是指消息传输的“质量”问题在实际通信系统中，对有效性和可靠性这两个指标的要求经常是矛盾的，提高系统的有效性会降低可靠性，反之亦然。因此在设计通信系统时，对两者应统筹考虑。v1.6.1模拟通信系统的主要性能指标 模拟通信系统的有效性指标用所传信号的有效传输带宽来表征。当信道容许传输带宽一定，而进行多路频分复用时，每路信号所需的有效带宽越窄，信道内复用的路数就越多。显然，信道复用的程度越高，信号传输的有效性就越好。信号的有效传输带宽与系统采用的调制方法有关。同样的信号用不同的方法调制得到的有

25、效传输带宽是不一样的。模拟通信系统的可靠性指标用整个通信系统的输出信噪比来衡量。信噪比是信号的平均功率S与噪声的平均功率N之比。信噪比越高，说明噪声对信号的影响越小。显然，信噪比越高，通信质量就越好。输出信噪比一方面与信道内噪声的大小和信号的功率有关，同时又和调制方式有很大关系。例如宽带调频系统的有效性不如调幅系统，但是调频系统的可靠性往往比调幅系统好。 系统主要指标 SNR SNR（Signal to Noise Ratio） ： 加性干扰：信号在传输时叠加上的噪声引起的干扰，始终存在； 乘性干扰：由于信道传输特性不理想引起的干扰，随信号消失而消失； 为何10log,20log? 固定电话S

26、NR一般不低于40dB，电视输出SNR不低于60dB,才能正常工作（很高的要求）； 数字系统的SNR要求的低的多。 数字通信系统的主要性能指标有哪些？一、有效性指标数字通信系统的有效性指标用传输速率和频带利用率来表征。 1、传输速率 传输速率有两种表示方法：码元传输速率RB和信息传输速率Rb 。码元传输速率 码元传输速率RB简称传码率，又称符号速率等。它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特（Baud），记为B。信息传输速率 信息传输速率Rb简称传信率，又称比特率等。它是指系统每秒钟传送的信息量，单位是比特/秒，常用符号“bit/s”表示。TTTA二进制0TT/2T/3符号符号比特比特码元宽

27、度码元宽度码元宽度码元宽度码元宽度码元宽度比特宽度比特宽度比特比特宽度宽度比特比特宽度宽度码元码元码元码元四进制 1八进制0 1 0传码率和传信率之间关系 在N进制下，设信息速率为Rb （bit/s），码元速率为RBN （Baud），由于每个码元或符号通常都含有一定比特的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即(1.5)( )(/ )bBNRRH xbit s式中，式中， 为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。为信源中每个符号所含的平均信息量（熵）。()Hx当离散信源的每一符号等概率出现时，熵有最大值为 信息速率也达到最大，即 式中，N为符号的进制数，在二进制下，码元速率与信息速率数值

28、相等，但单位不同。2log(/N bit 符号）2log(/ )bBNRRNbit s（1.6)1.6)2()logbBNRRBaudN（1.7)1.7) 传送等概率的二进制波形之一(P=1/2）的信息量为1比特。传送等概率的四进制波形之一（P=1/4）的信息量为2比特，这时每一个四进制波形需要用2个二进制脉冲表示；传送等概率的八进制波形之一（P=1/8）的信息量为3比特，这时至少需要3个二进制脉冲。对于离散信源，M个波形等概率（P=1/M）发送，且每一个波形的出现是独立的，即信源是无记忆的，则传送M进制波形之一的信息量为11logloglog( )1/aaaIMp xM 2、频带利用率在比较

29、不同通信系统的有效性时，单看它们的传输速率是不够的，还应看在这样的传输速率下所占信道的频带宽度。频带利用率有两种表示方式：码元频带利用率和信息频带利用率。码元频带利用率是指单位频带内的码元传输速率，即信息频带利用率是指每秒钟在单位频带上传输的信信息频带利用率是指每秒钟在单位频带上传输的信息量，即息量，即 (/)BRBaud HzB（1.8)1.8)/()bRbits HzB（1.9)1.9)二、可靠性指标数字通信系统的可靠性指标用差错率来衡量。差错率越小，可靠性越高。差错率也有两种表示方法：误码率和误信率。1、误码率：指接收到的错误码元数和总的传输码元个数之比，即在传输中出现错误码元的概率，记为传输总码元数接收的错误码元数eP（1.11） 2、误信率：又叫误比特率，是指接收到的错误比特数和总的传输比特数之比，即在传输中出现错误信息量的概率，记为传输总比特数接收的错误比特数bP（1.101.10） 例1-6 设一信息源的输出由128个不同符号组成。其中16个出现的概率为1/32，其余112个出现概率为1/224。信息源每秒发出1000个符号，且每个符号彼此独立。试计算该信息源的平均信息速率。 解：每个符号的平均信息量为解：